La disaggregazione nello Spazio. Una nuova architettura costruita sui nanosatelliti.

Ott 04 2022
Tatiana Basilio
Nanosatelliti

L’impiego sempre più esteso dei nanosatelliti (cioè di satelliti artificiali del peso compreso fra 1 e 10 Kg,) e di Cubisat (cioè di satelliti miniaturizzati, la cui base di riferimento è un cubo di 10 cm di lato del peso massimo di 2.2 Kg) sta avendo un importante impatto sulle attività nello Spazio, perché sta offrendo nuove e convenienti funzionalità a enti governativi, a enti universitari e di ricerca, a operatori dell’industria e del commercio, molti dei quali in passato avevano considerato lo Spazio oltre la propria portata.

I cambiamenti in corso indicano la presenza di tre principali forze innovative: l’incremento delle prestazioni dei piccoli satelliti, l’abbassamento delle barriere all’accesso fisico allo Spazio e la disaggregazione delle missioni spaziali. Le tre forze interagiscono tra di loro, sostenendosi a vicenda: mentre si registrano impressionanti e crescenti capacità dei payload satellitari sempre più piccoli, si incrementa la richiesta di accesso fisico allo Spazio ma con un nuovo requisito fondamentale, cioè l’economicità (e, al contempo, molti protagonisti dello Spazio studiano la possibilità che alcune funzioni fatte oggi da satelliti molto grandi e potenti (ma anche costosi e vulnerabili) possano essere disaggregate in una moltitudine di piccoli satelliti, con un’architettura meno costosa, scalabile, più resiliente e più flessibile.

In tale scenario, un importante passaggio si è avuto con il processo di standardizzazione dei CubeSat: nato per scopi universitari, é definito sulla base di un’unità standard di un cubo ed il numero di cubi identifica la dimensione del satellite; la maggior parte di essi é nell’intervallo 2-12 elementi, risultando in una massa complessiva fra 1 e 10 Kg[i]. La standardizzazione è stata determinante nella riduzione dei costi di produzione e di lancio. I CubeSat sono ora comunemente usati in orbita terrestre bassa (LEO – Low Earth Orbit) per applicazioni come l’osservazione della Terra, le comunicazioni e test volti a studiare nuove tecnologia per utilizzo orbitale (Cfr Figura 1).

Figura 1 . -PhoneSat 2.5 è un cubesat, (1 unità) sviluppato dalla NASA e lanciato in orbita nel marzo 2014. Realizzato con tecnologia degli smartphone disponibili in commercio, è stato usato per raccogliere dati sulle prestazioni a lungo termine nello spazio delle tecnologie di consumo nate per uso sulla Terra. (Fonte: NASA)
Figura 1 . -PhoneSat 2.5 è un cubesat, (1 unità) sviluppato dalla NASA e lanciato in orbita nel marzo 2014. Realizzato con tecnologia degli smartphone disponibili in commercio, è stato usato per raccogliere dati sulle prestazioni a lungo termine nello spazio delle tecnologie di consumo nate per uso sulla Terra. (Fonte: NASA)[ii]

Man mano che gli ingegneri acquisiscono maggiore familiarità con la loro tecnologia, i CubeSat iniziano ad avventurarsi più lontano. Che si tratti della Luna[iii], di Marte o anche oltre[iv], questi minuscoli veicoli spaziali stanno sicuramente cambiando il panorama spaziale. Hanno oramai un fiorente mercato di componentistica disponibile e pronta (COTS – Commercial Off The Shelf): con il loro design modulare i sottosistemi possono essere forniti da diverse aziende, anche piccole, ed agevolmente assemblati, in funzione delle esigenze della missione. Inoltre, la riduzione del costo di lancio (cioè l’accesso fisico allo Spazio), ha reso meno importante (in molti casi addirittura trascurabile) la rispondenza ai tradizionali e stringenti requisiti ambientali imposti a tutti gli oggetti mandati nello Spazio. In questo modo i produttori dei sottosistemi hanno un volume di vendita maggiore e quindi riescono a vendere a prezzi più bassi. Ad esempio, un trasmettitore in banda S (la maggioranza dei satelliti comunicano con la Terra in banda S, a circa 2 GHz, per avere le minime perdite di propagazione attraverso l’atmosfera) ha un costo di circa 10.000 euro[v], mentre un sistema di controllo di assetto (ADCS – Attitude Determination and Control System) completo di accelerometri, sensori solari per l’assetto, ecc. (ricordiamo che si opera in assenza di gravità, che sulla Terra è il nostro riferimento principale), ha un costo di circa 50.000 dollari[vi]. La disponibilità COTS, inoltre, consente ai satelliti CubeSat di essere preparati per il lancio in modo molto rapido, in genere entro uno o due anni, compatibili ad esempio con un dottorato di ricerca presso un’università.

Figura 2 .- Classificazione dei satelliti artificiali in funzione della loro massa. Fra gli “extra heavy”, si cita il satellite per telecomunicazioni Jupiter-3, con una massa di 9200 Kg, che sarà posto in orbita geostazionaria nel 2023
Figura 2 .- Classificazione dei satelliti artificiali in funzione della loro massa. Fra gli “extra heavy”, si cita il satellite per telecomunicazioni Jupiter-3, con una massa di 9200 Kg, che sarà posto in orbita geostazionaria nel 2023[vii]

Entità governative, commerciali, scientifiche ed educative stanno ora costruendo CubeSat da pochi chilogrammi di peso, non solo per provare nuove tecnologie prima di impiegarle su sistemi “maggiori”, ma anche per un crescente numero di applicazioni dirette, esplorandone nuovi utilizzi e sfruttando le potenzialità offerte da nuovi algoritmi, come avviene per i satelliti per immagini, una volta ritenuti “irrestringibili”.

Guardando a tutti i satelliti lanciati nel corso del 2021 (una loro classificazione ampiamente condivisa è riportata nella tabella in figura 2), osserviamo che il 94% sono piccoli satelliti (cioè di peso inferiore a 600 Kg) pari al 43% della massa di tutti i satelliti messi in orbita. La tendenza è inequivocabile, visto che nel periodo 2012-2020 le percentuali erano significativamente più basse: rispettivamente allo 82% ed al 14% (Cfr. Figura 3).

Figura 3 .- Lanci di piccoli satelliti (massa < 600 Kg ciascuno) in percentuale del totale e massa totale lanciata con piccoli satelliti in percentuale sul totale. Nel 2021 si è confermato l’incremento rispetto agli anni precedenti. (Dati BryceTech)
Figura 3 .- Lanci di piccoli satelliti (massa < 600 Kg ciascuno) in percentuale del totale e massa totale lanciata con piccoli satelliti in percentuale sul totale. Nel 2021 si è confermato l’incremento rispetto agli anni precedenti. (Dati BryceTech)[viii]
Accesso fisico allo Spazio

L’esplosione nell’uso dei Cubesat e dei nanosatelliti comporta un importante ampliamento della base di conoscenza globale. Dieci-quindici anni fa, la realizzazione di un satellite artificiale era il compito di un’agenzia spaziale, cioè di una grande organizzazione governativa; oggigiorno un simile compito è alla portata di uno studente con una carta di credito, una connessione Internet e competenze elettroniche di base. È molto difficile, se non impossibile, prevedere tutte le conseguenze di questa evoluzione tecnologica, che ricorda molto quanto avvenne con i personal computer: il loro avvento fece diffondere anche a livello domestico la conoscenza informatica (prima limitata agli esperti del settore) e modificò l’architettura complessiva, che passò da concentrata in pochi nodi (mainframe) disaggregandola in molti piccoli nodi (Personal Computer). Molto interessante, a tal proposito, l’esperienza dei cosiddetti “assemblati”, costruiti come “kit fai-da-te”. Qualcuno di noi ancora li ricorda: erano allestiti, spesso artigianalmente, acquistando sul mercato i singoli componenti (chassis, alimentatore, scheda madre, disco rigido, ecc.), in modo non molto diverso da quanto avviene oggi con i sottosistemi dei CubeSat. All’epoca del passaggio da un’architettura informatica centrata sui mainframe a una centrata sui PC era veramente difficile prevedere il percorso tecnologico futuro: grandi aziende sbagliarono, pur adottando le migliori pratiche di strategia e di mangament[ix]. Fu determinante, comunque, l’evoluzione dell’utenza, ampliatasi, come detto: l’allargamento della base di conoscenza ha dato una forte spinta al progresso e all’innovazione, ma anche alla struttura del mercato di riferimento. Infatti, la diffusione dei PC ha portato a una veloce diffusione della sua tecnologia e all’innovazione accelerata nel suo stesso ambito e in ambiti contigui (si pensi al mercato degli applicativi software per usi fiscali, ingegneristici, ecc.), che si sono sviluppati sostituendosi a quelli tradizionali.

Una fondamentale differenza tra la rivoluzione dei nanosatelliti e quella dei personal computer (“assemblati” o meno) è il collo di bottiglia esistente per provvedere al lancio nello Spazio. Ma anche questo sta cambiando, grazie a nuove soluzioni come la diffusione di standard (ad esempio. i già citati CubeSat) e a nuovi approcci di lancio basati su tali standard che permettono di sfruttare ogni vettore per aggregare all’utente primario e maggioritario anche utenti secondari e minori, con ovvi vantaggi per tutti. I fornitori di lancio possono così facilmente utilizzare una duplice possibilità: lancio dedicato oppure lancio condiviso. Nel primo caso, noto anche come lancio “single-manifest”, la capacità di carico utile del veicolo è dedicata esclusivamente ad un unico cliente, a differenza di quanto avviene quando più clienti condividono la massa di carico utile disponibile (secondo caso, noto come “ride-sharing”). La possibilità di adottare lanci condivisi è molto vantaggiosa e quindi risponde bene alla domanda per piccoli satelliti, se realizzati secondo uno standard anche dal punto di vista del lanciatore. Sebbene i lanciatori spaziali abbiano spesso caratteristiche molto diverse l’uno dall’altro, inclusi i regimi orbitali in cui possono posizionare i carichi utili, le basi di lancio da cui possono essere lanciati e la loro probabilità di successo o fallimento, condividono tutti la stessa missione principale: posizionare i carichi utili in orbita attorno alla Terra. Sacrificando il controllo dei tempi e dell’orbita (quindi scegliendo un lanciatore americano, oppure russo, indiano, europeo, ecc. secondo le opportunità presenti), si possono ottenere notevoli risparmi per superare il primo ostacolo, cioè arrivare allo Spazio. Ma c’è di più: la stessa International Space Station (ISS) è diventata un lanciatore per nanosatelliti (Cfr. Figura 4), in aderenza allo standard Cubesat, con il sistema Nanoracks CubeSat Deployer (NRCSD) in funzione dal 2014 e per il quale è previsto un servizio “chiavi in mano”, senza necessità di contattare NASA o altri Enti[x].

Figura 4 . - Lancio di Cubesat da ISS (Fonte: NASA)
Figura 4 . – Lancio di Cubesat da ISS (Fonte: NASA)

Guardando i numeri, il costo di un lancio in orbita LEO è passato dai circa 18.000 dollari/Kg dei lanciatori Soyuz ai circa 1.500 dollari/Kg nel caso di Falcon Heavy di SpaceX la nota azienda di Elon Musk. Questi, in un’intervista del 2004, paragonò il proprio impegno a quello di Henry Ford che non inventò il motore a combustione interna, ma trovò il modo di realizzarlo a basso costo[xi].

Dall’inizio del XXI secolo, l’innovazione tecnologica sui satelliti artificiali e i costi di lancio ridotti hanno abbassato molte barriere convenzionali di ingresso nello Spazio, oramai accessibile a una comunità spaziale più ampia e diversificata, sia sul fronte governativo (solo negli ultimi sei anni, sedici nazioni hanno istituito agenzie spaziali civili nazionali per la prima volta), sia sul fronte privato (dal 2008 al 2018, pur a fronte di un raffreddamento degli investimenti pubblici nel settore spaziale, sono state create oltre 600 nuove aziende private in tale settore).

Nuove architetture

In tale quadro (semplificazione e standardizzazione tecnica, bassi costi di lancio, diffusione della conoscenza – quindi rottura della tradizionale filiera delle aziende spaziali, ecc.), è comprensibile che emergano nuove soluzioni architetturali per offrire servizi basati su sistemi spaziali.

Inoltre, l’assenza di atmosfera ha anche permesso la progettazione, la realizzazione e l’impiego di costellazioni e sistemi frazionati, costituiti da gruppi di satelliti che volano in formazione anche ad elevata distanza reciproca e, di fatto, funzionano come un unico sistema in orbita, per fornire immagini e informazioni meteorologiche, incluso lo studio del Sole (Space Weather)[xii].

Figura 5 . - Visione artistica della copertura per telecomunicazioni tramite costellazione di piccoli satelliti in LEO. (Fonte: OneWeb)
Figura 5 . – Visione artistica della copertura per telecomunicazioni tramite costellazione di piccoli satelliti in LEO. (Fonte: OneWeb)

Architetture anche piuttosto complesse, cioè costellazioni basate su molti piccoli satelliti in LEO (Cfr. Figura 5), stanno sostituendo quelle basate su pochi e grandi satelliti in orbita geostazionaria: siamo in presenza di disaggregazione di varie funzioni nello Spazio (comunicazione, osservazione, meteo, ecc.). Forse, da questo punto di vista, la più famosa costellazione è Starlink, cioè una costellazione costruita da SpaceX per fornire accesso Internet via satellite su tutto il globo terracqueo: sarà composta da migliaia di piccoli satelliti, prodotti in serie e posizionati in orbita terrestre bassa (LEO). Considerando che anche altre grandi aziende stanno investendo in soluzioni innovative rispetto ai tradizionali grandi satelliti geostazionari, alcuni analisti di Wall Street si stanno domandando come gli affermati operatori di comunicazione via satellite possano sopravvivere dopo che SpaceX[xiii], Amazon[xiv], Facebook e OneWeb avranno lanciato centinaia o migliaia di satelliti[xv] o altre soluzioni alternative (droni o palloni aerostatici[xvi]) per offrire un servizio migliore, in termini di copertura geografica e di minori tempi di latenza.

Ma anche altre disaggregazioni stanno prendendo corpo, andando oltre l’attuale offerta spaziale di osservazione e sorveglianza della superficie terrestre. Infatti, alle soluzioni tradizionali, basate su pochi e grandi satelliti in LEO che utilizzano sensori radar (l’italiano ed innovativo COSMO-SkyMed) o ottici (Opsat-3000 italiano[xvii], Ofek israeliano [xviii]) si stanno affiancando soluzioni imperniate su piccoli satelliti con sensori diversi, come ad esempio iperspettrali utilizzati per nuove applicazioni, qual è il caso della Orbital Sidekick, che offre un servizio di controllo giornaliero di condotte di petrolio e di gas con sensori iperspettrali[xix]. Naturalmente il servizio offerto non sarà di fornitura di dati (immagini), ma piuttosto di analisi dei medesimi, per identificare anomalie o, comunque, informazioni rilevanti.

Volgendo lo sguardo al mondo militare, già due anni fa ho voluto mettere in evidenza un’interessante iniziativa dell’agenzia statunitense DARPA: il programma Blackjack[xx]. Si tratta di un programma che implementa, in campo militare, una nuova architettura spaziale disaggregata, basata su piccoli satelliti in LEO. Gli obiettivi del programma sono di tipo generale (ad esempio lo studio della complementarità fra assetti in LEO ed assetti in orbita geostazionaria) ma anche peculiari (fra gli altri: dimostrare l’esecuzione in autonomia di operazioni orbitali, ivi inclusa la processazione decisionale distribuita; utilizzare sistemi di produzione commerciale avanzata per payload e veicoli spaziali militari) [xxi] . Maggiori informazioni su tale iniziativa sono state pubblicate da Laran News nei mesi successivi[xxii]; come anche su iniziative simili: la US Space Development Agency ha avviato uno studio per l’impiego di una costellazione di piccoli satelliti in LEO realizzati specificamente per fornire allerta precoce nei confronti delle nuove minacce strategiche ipersoniche messe in campo da Russia e Cina nello Spazio.[xxiii] In buona sostanza, sta acquistando otto satelliti di allarme missilistico[xxiv] per circa 40 milioni di dollari ciascuno, cioè prezzi bassi, senza precedenti nei programmi satellitari del Pentagono, ed è un segnale importante[xxv], cioè che il mercato spaziale militare oltre Atlantico è interessato seriamente anche ad una soluzione architetturale diversa rispetto a quella tradizionale, con un’importante conseguenza (scuotere le filiere industriali tradizionali) per sfruttare l’allargamento della base di conoscenza. Oggi i satelliti militari sono realizzati normalmente in numeri molto contenuti (meno di dieci), impiegano decenni per svilupparsi e costano centinaia di milioni di dollari ciascuno; invece le costellazioni cui si sta guardando per il futuro sono basate su satelliti notevolmente più economici, perché basati su soluzioni tecnologiche commerciali e perché prodotti in serie, con volumi molto maggiori rispetto al passato. Questa differenza di approccio trova ovviamente un ostacolo sul fronte industriale tradizionale, sia per ovvi motivi di protezione del proprio business, sia per impreparazione tecnica e commerciale di fronte alla novità.

Ma l’architettura disaggregata presenta, come tutte le reti, vantaggi importanti quali una minore rigidità e, soprattutto, l’elevata resilienza ai guasti, alle minacce (naturali o per attività ostili). Inoltre, la velocità di evoluzione tecnologica rende obsoleto un sistema elettronico dopo pochi anni, rendendo molto complicata la gestione in vita di satelliti che dovrebbero operare per alcuni decenni. Invece, una moltitudine di piccoli satelliti possono essere oggetto di migliorie più facilmente, perché realizzati per durare di meno, quindi con costi più contenuti.

Alla questione economica è strettamente connessa l’esigenza di cogliere le opportunità offerte da un tumultuoso progresso tecnologico, come quello attuale. Nuovi materiali, nuovi sensori, nuovi sistemi di calcolo, nuovi algoritmi arrivano sul mercato senza soluzione di continuità. Il passaggio fondamentale sarà quello dell’utilizzo diffuso di prodotti/componentistica commerciale a bordo di satelliti militari; ma è un passaggio che ritengo inevitabile, se non già avvenuto nei fatti. Così come successe alcuni anni or sono, nei sistemi di calcolo di navi e aerei. Negli anni ‘70 esistevano processori militari specificamente progettati e realizzati per resistere, ad esempio, a elevate sollecitazioni termiche e meccaniche; oggi, invece, è diffuso l’uso di chip commerciali su sistemi militari e, utilizzando le dovute accortezze (di architettura, di installazione e di uso), garantiscono prestazioni di gran lunga superiori a costi di gran lunga inferiori, rispetto a un ipotetico progetto, realizzazione e uso di componentistica solo militare.

In futuro, un’ulteriore riduzione delle barriere all’accesso allo Spazio (nel mondo civile come in quello militare) sarà fornita dall’ingegneria digitale. Si tratta di un nuovo approccio in cui domanda e offerta lavoreranno in modo collaborativo a tutti i livelli (sistema, assieme, sottoassieme, componente) nelle reti cloud virtuali. Ogni elemento esisterà come un modello digitale e, una volta terminato il progetto, le informazioni digitali verranno utilizzate per l’intera vita di un sistema, quindi dallo sviluppo alla produzione e da eventuali aggiornamenti fino alla dismissione.[xxvi] Già oggi impiegata in vari contesti ingegneristici, l’ingegneria digitale ha ampiamente dimostrato di consentire riduzione di costi e di tempi di realizzazione, ma – per quanto ci riguarda – anche un importante ampliamento della base di conoscenza, che non è più vincolata a pesanti e costose infrastrutture fisiche, ma può adottare in modo estensivo infrastrutture informatiche.

In conclusione, siamo dell’avviso che l’evoluzione architetturale per servizi e per attività basati nello spazio sia per uso civile sia per uso militare proseguirà nei prossimi anni, con una progressiva e crescente presenza di soluzioni disaggregate a fianco di quelle tradizionali e centralizzate, con una nuova suddivisione di funzioni fra le due soluzioni. Come è avvenuto nel dominio informatico, dove coesistono PC e supercomputer (i mainframe di qualche tempo fa), così sarà nel dominio Spazio: pochi, grandi e costosi satelliti per alcune funzioni saranno affiancati da molti satelliti con architettura disaggregata per altre funzioni e insieme potranno svolgere ulteriori funzioni combinate.

L’approfondimento è stato redatto in collaborazione con il C.V. Francesco Scialla.


[I] https://www.esa.int/Enabling_Support/Preparing_for_the_Future/Discovery_and_Preparation/CubeSats , consultato il 07/08/2022

[II] https://spaceflight101.com/spacecraft/phonesat-2-5/, consultato il 07/08/2022

[III] https://www.nasa.gov/directorates/spacetech/small_spacecraft/NASA_CubeSats_Play_Big_Role_in_Lunar_Exploration

[IV] https://www.esa.int/ESA_Multimedia/Images/2015/06/Hera_networking_with_CubeSats

[V] https://www.endurosat.com/products/  , consultato il 07/08/2022

[VI] https://www.cubesatshop.com/product/adcs100-integrated-adcs-with-reaction-sphere/ consultato il 07/08/2022

[VII] Krebs, Gunter D. “Jupiter 3 / EchoStar 24”. Gunter’s Space Page. Retrieved August 07, 2022, from https://space.skyrocket.de/doc_sdat/jupiter-3.htm

[VIII] https://brycetech.com , consultato il 07/08/2022

[IX] Si veda, su questo argomento, il classico di Clayton Christenen, Innovator’s Dilemma: When New Technologies Cause Great Firms to Fail, Harvard Business School Publishing, 1997 – 2000.

[X] https://nanoracks.com/products/iss-deployment/ , consultato il 07/08/2022

[XI] https://foreignpolicy.com/2013/12/09/the-rocketeer/ ; consultato il 07/08/2022

[XII] https://www.qinetiq.com/en/blogs/postcards-from-space-satellite-formation-flying-first-the-proba-3-mission , consultato il 30/11/2020

[XIII] https://spectrum.ieee.org/tech-talk/aerospace/satellites/spacex-preps-selfdriving-satellites-for-launch

[XIV] https://spectrum.ieee.org/tech-talk/aerospace/satellites/amazons-project-kuiper-is-more-than-the-companys-response-to-spacex

[XV] https://spacenews.com/wall-st-grills-fleet-operators-over-mega-constellation-threat/

[XVI] https://loon.com/

[XVII] https://www.repubblica.it/esteri/2017/08/02/news/opsat-3000_satellite_spia_italiano-172180449/

[XVIII] https://www.mosaico-cem.it/attualita-e-news/israele/arrivate-le-prime-immagini-dal-satellite-spia-ofek-16-un-successo-per-lintelligence-disraele

[XIX] https://spacenews.com/orbital-sidekick-wins-to-develop-pipeline-monitoring-tools/ ,https://www.orbitalsidekick.com/products , https://spacenews.com/orbital-sidekick-aurora-in-q-tel/

[XX] https://www.facebook.com/tatiana.Laran75/posts/2880055012044297/

[XXI] https://www.darpa.mil/program/blackjack

[XXII] https://news.laran.it/2020/05/darpa-lancera-il-primo-blackjack-entro-questanno/

[XXIII] https://news.laran.it/2020/05/usa-nel-2022-in-orbita-otto-satelliti-per-tracciare-le-armi-ipersoniche/

[XXIV] https://spacenews.com/dod-space-agency-driving-pentagon-contractors-to-rethink-their-price-points/

[XXV] https://spacenews.com/l3harris-to-deliver-five-missile-warning-satellites-for-2023-launches/

[XXVI] https://ac.cto.mil/wp-content/uploads/2019/06/2018-Digital-Engineering-Strategy_Approved_PrintVersion.pdf

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